Rumitnya Fisika dalam Secangkir Espreso

tirto.id - Magic Latte, Mont Blanc, dan Dirty Latte. Tiga kreasi minuman tersebut, setidaknya dalam setahun terakhir, tengah menjadi primadona di kalangan penikmat kopi tanah air dan ramai diperbincangkan di media sosial.

Ketiganya punya cita rasa dan cara pembuatan berbeda-beda. Magic Latte dan Dirty Latte, meski sama-sama termasuk varian kopi susu, memiliki sensasi rasa dan kombinasi suhu berlainan. Mont Blanc, sementara itu, menonjolkan lapisan krim manis beraroma jeruk dan vanila dengan taburan zest jeruk di atasnya.

Namun, ada satu hal yang mempersatukan ketiganya: sama-sama bertumpu pada seduhan kopi bertekanan tinggi, baik itu espreso maupun ristretto.

Ristretto merupakan modifikasi dari espreso. Airnya lebih sedikit dan rasanya lebih pekat karena menggunakan air hanya separuh dari takaran espreso. Ristretto digunakan untuk Magic Latte dan Dirty Latte, meskipun ada pula barista yang menggunakan espreso untuk Dirty Latte. Adapun Mont Blanc umumnya tetap mengandalkan espreso.

Dari sini saja bisa disimpulkan betapa pentingnya espreso (dan ristretto) dalam industri perkopian. Tanpa espreso yang dibuat secara "benar", kualitas minuman-minuman yang menggunakannya sebagai basis pun bakal menurun. Dan ternyata, membuat espreso bukan cuma sebuah seni. Di balik espreso yang sempurna, ada hitung-hitungan fisika kompleks.

Hitung-hitungan Membuat Espreso

Ceritanya, ada sekelompok ilmuwan, sebagian besarnya merupakan ahli vulkanologi, yang belum lama ini menerbitkan model matematis yang menjelaskan peresapan air melalui bubuk kopi yang dipadatkan menjadi coffee bed—istilah untuk bubuk kopi yang sudah dipadatkan di dalam portafilter. Riset tersebut dipimpin oleh Fabian Wadsworth, ilmuwan bumi di Ludwig-Maximilians-Universität München, Jerman, dan diterbitkan di jurnal Royal Society Open Science.

Wadsworth awalnya tidak berniat meneliti kopi secara serius. Dia memanfaatkan proses pembuatan espreso sebagai "alat bantu" mengajar mahasiswanya tentang konsep perkolasi, yaitu proses merembesnya cairan melalui material berpori.

Dari situ, proyek tersebut berkembang menjadi penelitian penuh yang melibatkan pemindaian sinar-X beresolusi tinggi dan simulasi komputer. Tim peneliti menggiling dua jenis kopi, satu dari Rwanda bernama Tumba dan satu lagi dari Kolombia bernama Guayacán, masing-masing pada 11 tingkat kehalusan berbeda menggunakan mesin giling Mahlkönig. Total, ada 22 sampel yang diuji.

Setiap sampel dipindai dengan teknologi X-ray computed micro-tomography, semacam CT scan yang biasa dipakai di rumah sakit, tapi resolusinya jauh lebih detail sampai ke tingkat mikrometer. Hasil pindaian itu memungkinkan tim peneliti membuat model tiga dimensi dari struktur pori di antara butiran kopi, lalu menyimulasikan aliran air melewati celah-celah kecil itu menggunakan metode fluida lattice-Boltzmann.

Untuk memahami lebih dalam, ada baiknya kita lebih dulu membahas konsep permeabilitas. Secara sederhana, permeabilitas adalah ukuran seberapa mudah cairan bisa menembus suatu material berpori. Makin tinggi permeabilitasnya, makin cepat air mengalir menembus bubuk kopi.

Selama ini, ilmuwan pangan biasanya memakai rumus lama bernama persamaan Kozeny-Carman untuk memperkirakan permeabilitas media berpori seperti kopi. Masalahnya, rumus tersebut awalnya dikembangkan untuk partikel berbentuk bulat sempurna, sementara hasil gilingan kopi berbentuk tidak beraturan.

Wadsworth dan timnya kemudian mencoba menggunakan pendekatan alternatif yang disebut teori perkolasi, yaitu konsep yang lebih dulu dipakai untuk memahami pergerakan gas melalui magma cair di dalam gunung berapi, atau perembesan air melalui batu pasir dan tanah. Ternyata, model perkolasi jauh lebih akurat memprediksi data hasil simulasi dibandingkan rumus Kozeny-Carman, terutama pada bubuk kopi berkepadatan tinggi.

Yang paling menentukan proses peresapan air dalam konteks itu adalah luas permukaan butiran-butiran kopi. Makin kasar dan tidak beraturan permukaan butiran kopi, makin besar luas permukaannya dibandingkan volume totalnya, sehingga makin mudah air meresap.

Dengan kata lain, dua butiran kopi bisa punya ukuran rata-rata yang sama persis. Tapi, kalau yang satu berbentuk lebih kasar dibanding yang lain, permeabilitasnya bisa berbeda jauh. Dari situ, Wadsworth c.s. menekankan bahwa kualitas espreso bergantung pada dua hal utama.

Pertama, pastikan butiran kopi tersebar merata dan dipadatkan dengan tekanan sama rata di seluruh permukaan coffee bed. Dengan begitu, tidak ada satu area yang dilewati air lebih deras dibanding area lain. Kedua, kontrol seberapa lama air bersentuhan dengan kopi. Makin padat coffee bed-nya, makin lama air tertahan di dalam. Tapi, hati-hati. Kontak yang terlalu lama bisa membuat espreso terasa pahit, sementara kontak yang terlalu singkat membuat rasa dan kafeinnya kurang terekstraksi.

Kopi dalam Perdebatan Teori Fisika

Penelitian Wadsworth c.s. bukan satu-satunya karya ilmiah terbitan 2026 yang secara khusus membedah fisika di balik secangkir espreso. Sekelompok fisikawan dari Universitas Warsawa, Polandia, memublikasikan riset terpisah yang menyoroti bahwa coffee bed sebenarnya bukan benda kaku dan statis, melainkan material yang bisa memampat di bawah tekanan.

Tim pimpinan Radost Waszkiewicz dan Maciej Lisicki itu menggunakan mesin espreso "kelas kafe" yang dipasangi sensor tekanan dan timbangan elektronik untuk mengukur aliran dengan sangat presisi.

Mereka menemukan, pada tekanan seduh standar sekitar 9 bar, laju aliran air justru cenderung mendatar, tidak lagi naik secara linear seperti prediksi Hukum Darcy klasik yang selama ini jadi panduan pembuatan kopi.

Hukum Darcy menjelaskan soal aliran cairan menembus material berpori. Menurut hukum tersebut, laju aliran cairan sebanding dengan tekanan dan permeabilitas material, tapi berbanding terbalik dengan kekentalan cairan. Artinya, semestinya aliran air makin cepat seiring besarnya tekanan mesin. Namun, temuan Waszkiewicz, Lisicki, dkk. berkata lain.

Penjelasannya terletak pada poroelastisitas coffee bed. Ketika tekanan air meningkat, struktur bubuk kopi ikut memampat sehingga pori-porinya mengecil. Itu menciptakan semacam mekanisme pengereman alami yang membuat aliran terhambat meski tekanannya dinaikkan.

Listrik Statis dalam Proses Penggilingan Kopi

Dalam proses penggilingan kopi, tak jarang bubuk kopi menempel di dinding wadah atau mengalami penggumpalan. Dan ini ada kaitannya dengan listrik statis.

Fenomena tersebut diteliti secara mendalam oleh tim gabungan kimiawan dan vulkanolog pimpinan Joshua Méndez Harper dari Portland State University dan Christopher Hendon dari University of Oregon. Hasilnya diterbitkan di jurnal Matter pada Desember 2023.

Faktor yang paling menentukan besar-kecilnya muatan listrik bukanlah asal biji kopi atau metode pengolahannya, melainkan kadar air yang tersisa dalam biji kopi setelah disangrai. Menurut Hendon, kelembapan, baik yang tersisa alami dari proses sangrai maupun yang ditambahkan dari luar, adalah faktor yang menentukan besaran muatan listrik yang terbentuk.

Kopi dengan kadar air internal di bawah dua persen cenderung bermuatan negatif, sementara kopi yang lebih lembap cenderung bermuatan positif atau nyaris netral. Sangrai gelap umumnya menghasilkan biji lebih kering dan cenderung bermuatan negatif lebih kuat dibanding sangrai terang.

Solusi praktis dari tim peneliti cukup sederhana, yaitu meneteskan sedikit air ke biji kopi sebelum digiling. Teknik itu sudah dikenal secara informal sebagai Ross Droplet Technique. Penambahan air sekitar 20 mikroliter per gram kopi terbukti mampu menekan muatan listrik mendekati nol.

Kopi yang digiling dengan tambahan air sedikit itu menghasilkan coffee bed lebih padat karena bubuknya tidak saling tolak akibat muatan statis. Hasilnya, waktu seduh jadi lebih lama dan konsentrasi total padatan terlarut dalam cangkir naik dari 8,2 persen menjadi 8,9 persen.

Halus-Kasarnya Gilingan Kopi dan Hasil Ekstraksi

Selain itu, ada satu penelitian yang menjawab misteri lama bahwa kopi yang digiling terlalu halus justru bisa menghasilkan ekstraksi lebih lemah. Fenomena tersebut coba dijelaskan lewat model matematis oleh W. T. Lee dan koleganya dari University of Huddersfield, Inggris.

Kalau dibayangkan, gilingan yang lebih halus semestinya menghasilkan ekstraksi yang lebih kuat, karena luas permukaan kopi yang bersentuhan dengan air jadi lebih besar dan air pun mengalir lebih lambat sehingga waktu kontaknya lebih lama. Tapi, kenyataannya justru sebaliknya.

Lee dan timnya mengajukan hipotesis bahwa itu terjadi karena adanya semacam siklus “umpan balik” antara aliran air dan proses pelarutan kopi. Area coffee bed yang kebetulan punya porositas lebih tinggi di awal--lebih banyak celah kosong di antara butirannya--akan dilewati air dengan lebih deras sehingga ekstraksi di area itu makin cepat dan porositasnya kembali bertambah.

Siklus tersebut terus berulang sampai jalur yang lebih longgar itu benar-benar habis senyawa terlarutnya. Celakanya, jalur lain yang porositasnya lebih kecil malah nyaris tak tersentuh air. Maka, sebagian coffee bed (ampasnya disebut puck)sebenarnya masih menyimpan potensi rasa yang tak sempat terekstraksi. Itulah sebabnya secangkir kopi bisa terasa lebih lemah meski gilingannya dibuat sehalus mungkin.